防搖功能在回轉起重機上的運用

朱晨嶸 王佳俊 羅佩玉

上海振華重工（集團）股份有限公司 上海 200125

0 引言

目前，隨著起重機自動化程度越來越高，用戶對于起重設備的裝卸效率也越來越重視。在日趨成熟的起重機自動化領域，帶有回轉機構的起重機鋼絲繩負載搖擺問題仍然是起重機作業(yè)面臨的一個難題。如何抑制負載搖擺，如何基于現(xiàn)有電控硬件，在不增加硬件的基礎上通過軟件實現(xiàn)低成本、高效率的防搖功能，是一項非常值得研究的課題。本文對回轉負載進行建模、仿真，開發(fā)了基于單機電控貝加萊PLC 及ABB ACS880 變頻器，在不增加任何硬件設備的基礎上實現(xiàn)了回轉機構的防搖功能。

1 模型分析

回轉機構負載及鋼絲繩可看作一個單擺系統(tǒng)，如圖1 所示。以O點（回轉手柄給定停止位）作直角坐標系，x正方向為回轉向前方向，y正方向向上?；剞D運行到（d，0）位置時，負載位置為（x，y），擺動角度為θ，繩長為l，負載質(zhì)量為m，重力加速度g。

圖1 運動坐標

由圖1 可得

負載在x、y方向上的速度分量為對上述兩式求導所得。

式中：Vt為小車的速度。

負載勢能為

負載動能為

拉格朗日函數(shù)為

擺動角度θ的拉格朗日方程為

整理得到小車負載的動態(tài)模型為

化簡得

進行平面分析得到負載擺動周期為

綜上所述可知，擺動周期與擺動長度有關，與負載質(zhì)量無關，對回轉施加恒定加速度后，負載將回到起始狀態(tài)。

2 仿真實驗

仿真1：如圖2、圖3 所示，在固定繩長的回轉負載施加一個恒定加速度，回轉速度從0 r/min 加速至496 r/min，并勻速運行，再以同樣的減速度，在一個周期T內(nèi)減速到0 r/min，仿真結果如圖2 所示，負載擺動角度θ在回轉加速由小變大再由大變小，勻速時θ為0°，如圖2 所示。

圖2 回轉單段加速擺動角度

圖3 回轉單段加速

仿真2：如圖4 所示，在和仿真1 同樣繩長的條件下，回轉在前1/4 周期進行加速，到達給定速度一半后進行勻速運行，并在到達1/2 周期時，以相同的加速度再加速1/4 周期，達到全速后，再保持給定速度繼續(xù)運行。

圖4 回轉兩段加速

通過仿真1 和仿真2 的對比可以看出，負載兩段加速較單段加速而言，大大抑制了回轉擺動周期，擺動時長由8 s 縮減至5 s，提高了回轉的作業(yè)效率，無效擺動周期減少3 s。

因此，基于理論計算、仿真、兩段加速抑制負載擺動是一種理想的防搖模型，為負載的運行規(guī)律防搖系統(tǒng)的提供了理論依據(jù)。

3 防搖系統(tǒng)

3.1 起重機系統(tǒng)總體介紹

在仿真1 和仿真2 實驗的基礎上，論證了回轉兩段加速防搖功能的可行性，在此基礎上，本文開發(fā)一套回轉防搖系統(tǒng)（見圖5），該系統(tǒng)由貝加萊X20 系列PLC 作為主控制器，該系列PLC 能滿足廣泛的應用需求，不僅適用于標準應用同時能滿足相對苛刻的應用要求。循環(huán)周期可達200 μs，滿足回轉起重機防搖功能的時間周期。

圖5 回轉起重機電控主系統(tǒng)

X20 模塊分別由底板模塊、電氣模塊、端子排模塊3 部分組成，確保了在整個電控系統(tǒng)的使用過程中各模塊的簡單化、模塊化；X20 系列的PLC 具有眾多的優(yōu)勢，1）對于不同種類電氣設備具有不同類型的配置，X20底板模塊是眾多設備類型的基本平臺，用戶可以根據(jù)不同的電氣設備種類選擇不同的電氣模塊，軟件可以自動識別每個卡槽所使用的電氣模塊，然后提供相應的設備功能。2）工業(yè)配電柜架構，X20 端子排模塊與電氣模塊互相分離，使得系統(tǒng)接線更加合理，布局更加清晰，是批量生產(chǎn)電氣設備較好的選擇。3）易于維護、維修，X20 易更換的特性可簡化排除故障的過程，電氣模塊可在運行過程中更換損壞的模塊，由于端子排獨立的特性，接線維持原樣，則整個系統(tǒng)可更快地更換自動化元件以減少設備的停機時間。

電氣系統(tǒng)所搭載的ABB ACS880 系列變頻器是應用較廣泛的變頻器之一，其適用于各種工藝，自動化系統(tǒng)，滿足幾乎任何行業(yè)電動機驅(qū)動應用的需求。

通訊采用貝加萊專用的Powerlink 通訊協(xié)議，可與變頻器之間進行數(shù)據(jù)交換，該通訊方式是一種以標準以太網(wǎng)為物理介質(zhì)的通訊方式，解決工業(yè)控制及數(shù)據(jù)采集領域數(shù)據(jù)傳輸實時性的最新技術，該通訊相對于傳統(tǒng)的Modbus，Profibus DP 等通訊方式而言，Powerlink 具有通訊更快、更穩(wěn)定的特點和優(yōu)勢。

回轉起重機的主系統(tǒng)包含人機界面、主控制器、支持變頻器、回轉1 號變頻器、回轉2 號變頻器、開閉變頻器、電纜卷盤變頻器等組成，所有變頻器與主控制器采用Powerlink 通訊方式。

司機室配有遠程IO 站和HMI（司機室觸摸屏），各機構均設有絕對值編碼器，司機室HMI 使用EtherNET 通訊。

該主控系統(tǒng)配備了起重機管理系統(tǒng)（CMS），其硬件基于觸摸屏，顯示尺寸在15 in 以上，具備1 GB 存儲空間。起重機管理系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC 連接進行交換數(shù)據(jù)。顯示屏上能夠顯示機構所有的運行數(shù)據(jù)，卷筒的轉速、起升高度、變幅角度、載荷質(zhì)量；各個機構的限位狀態(tài)，例如減速、停止的位置；電動機的實時運行狀態(tài)，例如電動機的電壓、電動機電流、電動機力矩的情況；該系統(tǒng)可以顯示故障報警及其歷史記錄，可以根據(jù)歷史記錄對設備進行性能安全評估，排除設備的隱患，防患于未然；具有專用的調(diào)試界面，現(xiàn)場調(diào)試時允許具有修改權限的人員在登錄后修改運行設定參數(shù)。此外，還具備起重機管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄功能，將需要采樣的數(shù)據(jù)進行設置，按照設定的時間間隔記錄到文件，供起重機維護管理時查詢。

本文著重介紹回轉起重機的回轉防搖系統(tǒng)，即2 部回轉變頻器在防搖功能中的應用，以及變頻器與主控制器之間回轉實時狀態(tài)在人機畫面的回轉界面中體現(xiàn)。

3.2 回轉防搖控制系統(tǒng)

回轉機構的防搖控制系統(tǒng)（見圖6），通過手柄給定速度至貝加萊主控制器，主控制器中的擺動周期功能塊，通過編碼器計算出的擺動長度l，從而得到擺動周期，擺動周期功能塊（見圖7）的輸出值擺動周期，作為兩段防搖功能塊（見圖8）的輸入?yún)?shù)，再通過主控制器得到的給定速度，以及變頻器讀到的實際速度，結合仿真實驗2 的結果，通過兩段防搖功能塊計算得出兩段加速時的輸出轉速，結合仿真實驗2（見圖3），以TP/2 的加速度時間運行1/4 周期，再以半速運行1/4 周期，最后再以TP/2 的加速度時間至給定速度，從而達到防搖效果。同時，在回轉機構運行過程中，電動機編碼器將實時速度反饋至主控制器，實現(xiàn)安全可靠的閉環(huán)控制。該防搖功能不僅僅運用于回轉機構啟停工作狀態(tài)中的防搖，在實時變速作業(yè)工作中，通過給定轉速和實際轉速的實時變化分析，從而形成回轉全過程防搖功能。

圖7 擺動周期功能塊

圖8 兩段防搖功能塊

防搖功能塊涉及較多數(shù)學運算，主要包括判斷回轉機構的加減速狀態(tài)，給定值得變化狀態(tài)。該控制系統(tǒng)采用ST 語言編寫邏輯，采用FBD 功能塊進行封裝，標準化的設計理念，可應用于各種電控系統(tǒng)中。

3.3 功能實現(xiàn)

在貝加萊主控制器的PLC 主程序中，增加和防搖功能相關的2 個功能塊，擺動周期功能塊可以計算得出回轉擺動周期，兩段防搖功能塊計算得出回轉機構的加減速時間并傳送到變頻器中，從而實現(xiàn)回轉防搖功能，本文介紹的回轉起重機防搖功能是在不增加任何硬件設備成本的基礎上實現(xiàn)回轉防搖功能。

3.3.1 功能塊

該功能塊（見圖7）根據(jù)實時擺長計算得出擺動周期的理論值，Gravity 為重力加速度取9.8 m/s2；Length 為擺動繩長，根據(jù)起升機構絕對值編碼器計算；Factor 為因數(shù)，取6.28，可根據(jù)實際情況微調(diào)；SwingCycleTime 為計算得出的擺動周期。

通過大機自帶的起升絕對值編碼器可以計算得出回轉的擺動長度，擺動周期根據(jù)負載擺動周期公式可以計算得出，同時作為回轉兩段加速的加速度時間依據(jù)。該擺動周期時間作為兩段加速防搖的周期。

兩段防搖功能塊（見圖8）執(zhí)行回轉機構兩段加速功能，通過輸入引腳中的SlewingSpeed（回轉速度0 ～100%），CycleTime（ 擺動周期），ReferenceSpeed(給定速度)，ActualSpeed（實際速度），分析計算得出變頻器的輸出轉速（OutSpeed），回轉的加減速時間（AccTime、DecTime）等關鍵參數(shù)給2 個回轉變頻器。該功能塊可以計算得出兩段防搖的速度給定值，回轉加減速時間。FaultReset（故障復位）引腳，當加減速時間低于回轉加減速安全時間時，功能塊輸出AccDecTimeFault（加減速時間故障），用來保護回轉機構，具體實現(xiàn)為當回轉前1/4 周期進行2 倍于單段加速度時間的加速度進行加速，當達到給定速度的半速時，以半速運行1/4 周期，再以2 倍的單段加速度加速至手柄給定速度，達到全速后，保持勻速運行。

該功能塊通過輸入/輸出引腳的參數(shù)變化，可將各參數(shù)傳輸至司機室觸摸屏以及CMS，方便觀察防搖系統(tǒng)工作中的各參數(shù)變化。

3.2.2 變頻器中參數(shù)設置

通訊及參數(shù)配置在ABB Drive Composer 中完成，Drive Composer 是支持ABB 通用架構變頻器的一款啟動和維護工具。該工具用于查看和設置變頻器參數(shù)，并對設備性能進行監(jiān)測和調(diào)試,集成參數(shù)設置，波形拍攝等實用功能。

在51 組參數(shù)設置變頻器通訊參數(shù)。

51.1 設置為ETH Pwrlink，表示為主PLC 與變頻器之間的通訊協(xié)議powerlink；

51.2 設置為基于ABB Drivers 驅(qū)動協(xié)議；

51.3 設置地址，與貝加萊硬件配置站點對應，該項目地址設置為2；

51.4 設置為99；

51.5，51.6 設置為MIDX，代表通訊介質(zhì)是雙絞以太網(wǎng)線；

51.31 通訊狀態(tài)顯示為online，即變頻器與貝加萊主PLC 通訊完成（見圖9）。

圖9 ABBACS880 變頻器通訊參數(shù)設置

回轉變頻機的固件基于N5050 起重機宏，該固件可以通過PowerLink 通訊協(xié)議實時修改變頻器的加減速時間，該參數(shù)在23.201，23.202 中實現(xiàn)(見圖10)。

圖10 ABB 加減速時間參數(shù)設置

相應的在貝加萊AS 軟件中對應配置ABB ACS880變頻器中所應用的參數(shù)通道，與變頻器實現(xiàn)參數(shù)交換（見圖11）。

貝加萊AS 軟件中配置ABB ACS880 變頻器硬件和參數(shù)，ABB 變頻器屬于第三方設備，在ABB 官網(wǎng)上可以下載配置文件，進行配置，并選用需要參數(shù)的通道，使貝加萊與ABB 變頻器之間建立通訊連接(見圖12)。

圖12 貝加萊AS 硬件配置

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

本文介紹的回轉起重機防搖功能有別于傳統(tǒng)的回轉起重機防搖功能，其系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

1）成本低 傳統(tǒng)防搖系統(tǒng)需要添加攝像頭、反射板、角度傳感器等價格高昂的硬件設備，采購成本及維護成本較高，本系統(tǒng)防搖無需增加硬件設備，通過軟件實現(xiàn)防搖功能。

2）改造周期短 對于舊設備的防搖改造，改造周期是用戶非常關心的問題，在幾乎24 h 作業(yè)的碼頭設備上進行改造，越短的改造周期可以最大程度減少碼頭的停工時間，本系統(tǒng)由于無硬件增加，大大降低了改造時間。

3）標準化、模塊化的設計理念 本系統(tǒng)程序編寫采用FCB 功能塊封裝，邏輯清晰，用戶只需在輸入端添加相應參數(shù)，即可實現(xiàn)防搖功能，該功能塊即插即用，適用于各類回轉起重機，因為沒有硬件的添加，只需要在原有程序上添加開發(fā)的擺動周期功能塊以及兩段防搖功能塊即可實現(xiàn)防搖功能，低成本，綠色環(huán)保的特性讓該防搖功能具有很大的推廣價值。

4）應用范圍廣 目前該功能已在門座起重機和移動式回轉起重機上得到實驗，效果良好，完全可以應用到其他回轉起重機中。

5 總結

本文對回轉起重機設備中的回轉機構負載進行研究。首先通過數(shù)學建模建立回轉機構運動模型。通過仿真實驗實現(xiàn)防搖控制效果通過單段加速及兩段加速進行驗證。得到兩段可以很好地縮短回轉機構擺動周期，將兩段防搖加速作為防搖功能的理論依據(jù)，并對其進行軟件設計。

理論驗證之后，搭建基于貝加萊主控制器以及ABB ACS880 變頻器作為控制核心的控制系統(tǒng)，配合貝加萊6PPT50 系列上位機，通過工業(yè)以太網(wǎng)PowerLink組網(wǎng)通訊。通訊采用貝加萊PLC+遠程IO 的方式，遠程IO 和變頻器系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術進行通訊。

起重機的管理系統(tǒng)（CMS）能夠記錄和提示報警信息，參數(shù)設定，顯示起重機運行的參數(shù)，并且能夠記錄起重機的操作記錄用以數(shù)據(jù)分析。

在不增加硬件設備即做到精準防搖控制，該系統(tǒng)成功應用到移動式回轉起重機，門座起重機等設備。該系統(tǒng)配置靈活，無外部安裝設備，維護方便，可運用于不同的電控系統(tǒng)，應用范圍廣泛。